不同林下益智果实及环境土壤中铜镉铅污染综合评价

2018-06-25杨瑛王德立张兴翠敖苏

中国现代中药 2018年5期

杨瑛，王德立，张兴翠，敖苏

(1.中国医学科学院药用植物研究所海南分所，海南海口，570311；2.西南大学农学与生物科技学院，重庆 400700；3.海南出入境检验检疫局，海南海口 570311；4.海南省外来有害生物预警与检疫防控工程技术研究中心，海南海口 570311)

益智AlpiniaoxyphyllaMiq为姜科Zingiberaceae山姜属AlpiniaRoxb.多年生草本植物，是一种常用中药，为“四大南药”之一[1]。生于阴湿的密林或疏林下，主产于海南，广东、广西、云南等地有少量分布[2]。益智以干燥果实入药，具有温脾止泻，摄唾涎、固精缩尿等功效，用于肾虚遗尿，小便频数，遗精白浊，脾寒泄泻，腹中冷痛，口多唾涎。益智不仅具有较高的药用价值，还是中国卫生部公布的药食同源的植物资源之一。现代研究表明益智果实中含有的主要化学成分有：萜类、甾醇类、二苯庚烷类、黄酮类、酚类等成分[3]。药理研究表明[4-5]，益智果实主要有神经保护、抗癌、强心、舒张血管、抗氧化和提高免疫力等作用。

中药安全是当前中药原料生产最重要的质量要求，主要包括农残、有害微生物、重金属等，其中重金属含量成为药材和其他经济作物质量安全的重要指标，在原料生产中它们与土壤、水源、空气、农药及肥料使用等密切相关。在药材中含量甚微，但对人体危害巨大。多项研究成果表明[6-8]，重金属对人体的正常新陈代谢和生理作用都有毒害，过量重金属在身体内积累将导致不同类型的中毒性肾病、神经系统受损，甚至致癌等。Pb对神经系统、消化系统和造血系统等都有毒性作用；Cd对人体有致畸、致癌、致突变等毒性作用；Cu虽然是人体必须元素，但较高浓度的Cu具有溶血作用，能引起肝、肾良性坏死[9]。因此，重金属成为评价中药材质量的重要指标之一。

益智作为海南特殊南药，全国95%以上的益智产自于海南岛。在海南野生益智极为稀少，已被广泛种植于橡胶、槟榔等经济林下和次生林下，总面积约25万亩(1亩≈666.7 m2)。不同林地类型的种植园受到不同种植模式、管理水平、施肥情况和病虫害防治方法的影响，可能会导致部分种植园内土壤重金属含量及益智果实重金属含量超标，从而影响药材品质。为弄清海南不同林地类型土壤重金属含量情况及益智果实对重金属的储存或富集能力，明确优质益智生产的适宜种植环境，本文采用原子吸收光谱法对采自益智主产区8个地区6种林下的益智果实及其实生土壤中铜、镉、铅3种重金属的含量进行测定，并讨论不同地区不同林地对益智果实重金属含量的影响，为今后开展益智的规范化种植、质量评价以及资源的合理利用提供理论依据。

1 材料与仪器

1.1 材料采集

供试的益智果实及土壤材料采集地点、林地类型等见表1。

1.2 试剂及仪器

AA-7000原子吸收分光光度计(日本岛津，工作参数见表1.1)；空心阴极灯(北京有色金属研究院)；FA系列电子天平，(精确到0.000 1，上海精天电子仪器有限公司)；DHG-9245A型电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司)；海能SH220石墨消解仪(北京中显恒业仪器仪表有限公司)；实验室超纯水机(上海泰和仪器有限公司)；HNO3、HClO4及HF均为分析纯；铜Cu、铅Pb、镉Cd的标准储备液的质量浓度为1000 μg·mL-1，使用时，逐渐稀释到标准系列。

表1 益智果实及土壤采集地区以及林地类型(均为3份)

注：1～6分别表示：次生林、小叶桉、橡胶林、槟榔林、胆木林、松树林。

1.3 测试条件

选定的仪器工作条件见表2：

表2 火焰原子吸收光谱法的工作条件

2 方法

2.1 标准溶液制备

2%硝酸溶液：精密移取16 mL硝酸，置500 mL量瓶中，加水稀释并定容至刻度，作为标准溶液的稀释剂。

标准溶液配制：取Cu、Cd、Pb单元素标准溶液各5 mL，分别置于50 mL容量瓶中，以稀释剂定容至刻度，配制成各元素浓度均为100 μg·mL-1的标准母液(0～5 ℃贮存)。

精密吸取标准母液适量，用稀释剂稀释，配制成不同浓度的标准测试液，见表3。

表3 标准溶液浓度配制表 μg·mL-1

2.2 待测液制备

2.2.1 益智果实精准称取样品1 g左右于消解管中，加入10 mL HNO3和HClO4的混合溶液(硝酸∶高氯酸=3∶1)，封口浸泡过夜。消解仪升温程序设定见表4，消煮到溶液无色或清亮后继续加热，至消解管中的溶液剩余量为2～3 mL，放冷。将消解液转入50 mL容量瓶中，用少量2%硝酸洗涤消解管3次，洗液合并于容量瓶中，用2%硝酸稀释至刻度，摇匀，即得。重复3次，同时取3支空白消煮管，仅加10 mL HNO3和HClO4的混合溶液，做空白对照。

表4 石墨消解仪升温程序设定

2.2.2 土壤精确称取样品0.5 g左右于消解管中，加入10 mL HNO3浸泡过夜，放置于石墨消解仪中，先60 ℃消煮30 min；然后待溶液冷却加入3 mL HF，升温至160 ℃保持120 min；再次待溶液冷却后加入1 mL HClO4，升温至200 ℃保持150 min；最后直至溶液澄清透明，剩余2～3 mL即消煮完全，将消解液转入50 mL容量瓶中，用少量2%硝酸洗涤消解管3次，洗液合并于50 mL容量瓶中，用2%硝酸稀释至刻度，摇匀，即得，重复3次。同时取空白管只加酸不加样品，做空白试验。

3 结果与分析

3.1 标准曲线绘制

将铜Cu、铅Pb、镉Cd的标准液稀释成适宜浓度的系列工作液见表3，按表1仪器的条件分别测定，结果见表5。由表5可知，3种元素的浓度及相应的吸收波长呈线性关系。

表5 元素标准曲线、重复性、精密度试验结果

3.2 重复性试验

取相同益智样品1.000 g，平行测定3份，分别计算RSD值，结果见表5。

3.3 精密度试验

取各元素的标准溶液，分别重复测定6次，计算RSD值，结果见表5。

3.4 回收率试验

精密称取益智果实粉末0.500 0 g共6份，3份用于样品含量测定，3份加入标准溶液进行加标测定，结果见表6。

表6 加标回收试验结果

由表5、6可知，Cu、Cd、Pb标样在一定范围内线性关系良好，精密度试验中各元素RSD值为0.62%～1.08%，重复试验中各元素RSD值为1.81%～2.38%，回收率试验中各元素平均回收率为98.24%～101.54%，RSD值为1.35%～3.88%，说明原子吸收光谱测定Cu、Cd、Pb的方法精密度好，重现性好，可以采用。

3.5 测定结果

3.5.1 益智土壤及果实中重金属含量及分析经过处理的待测样品Cu、Pb、Cd元素根据表1仪器工作条件，使用原子吸收分光光度法测定吸光度，每个样本重复3次；根据表5标准曲线计算各样品中Cu、Pb及Cd元素含量，结果见表7。

表7 益智土壤及果实Cu、Cd、Pb测定结果 mg·kg-1

注：字母表示P值在0.05水平下差异显著；“—”表示未检测到。

由表7可知，不同种植园益智果实中各元素差异显著，QZCX-1与WZSM-5的Cu含量均较高，分别为14.78、10.19 mg·kg-1；WNCX-1、WNCX-2及TCWP-1的Cd含量分别为0.12、0.12、0.1 mg·kg-1，比其他地区稍高；WNSG-3的Pb含量最高为4.61 mg·kg-1，其次是WNCX-1、QZCX-3、QZCX-1及WNSG-4，含量分别为2.68、2.37、3.21、2.45 mg·kg-1，其他地区均较低或未检测到。不同种植园区土壤中各元素差异显著，WNCX-2的Cu、Pb含量均最高，分别为50.99、111.74 mg·kg-1；QZCX-3、BTBC-4、BTJT-3及BTJT-4的Cd含量均较高，分别为44.46、38.33、37.90、36.56 mg·kg-1。益智果实中重金属总量较低的是BTJT-4、TCWP-1及WZSM-3，分别为2.09、2.56、3.01 mg·kg-1；土壤中重金属总量较低的是BTBC-3、QZXG-1及WNSG-4，分别为54.40、74.63、75.35 mg·kg-1。

3.5.2 益智土壤及果实污染程度综合评价

3.5.2.1 评价方法评价方法采用单因子污染指数法和Nemerow综合污染指数法[10]。其中，单因子污染指数模型P=Ci/Si，P为污染因子i的单因子污染指数，Ci为污染因子i的实测浓度，Si为污染因子i的评价标准(国家限量标准)；Nemerow 综合污染指数模型是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数。其基本计算式为：

(1)

式中：Pimax为各单因子环境质量指数中最大者，Pi为土壤各污染指标指数的平值。

3.5.2.2 评价标准根据益智栽培技术的SOP中规定[11]，土壤质量应达到国家《土壤环境质量标准》(GB15618-2008)二级或以上标准；益智果实要达到我国商务部2004年颁布的《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》(WM/T2-2004)限量标准，见表8。在污染等级划分中，按照现行污染指数的通用等级进行区分，见表9。

表8 中药材及土壤重金属参考标准 mg·kg-1

表9 Nemerow评价法污染等级划分

3.5.2.3 益智土壤及果实污染指数评价由表10可知，土壤主要污染因子为Cd；QZXG-1、QZXG-4及WZSM-3三个种植园区Pn=0.55、0.66、0.69，均小于0.7属于清洁土壤，其余均大于3.0属于重度污染土壤。由表中Pn值可知，18个种植园区益智实生土壤品质优劣：QZXG-1>QZXG-4>WZSM-3>BTBC-3>WZSM-5>WNSG-4>WNSG-3>QZXG-3>QZCX-1>WZSM-1>TCWP-1>WNCX-1>WZSM-6>WNCX-2>BTJT-4>BTJT-3>BTBC-4>QZCX-3。

表10 各种植园区益智土壤及果实Cu、Cd、Pb污染指数

益智果实主要污染因子是Cu，其次是Pb、Cd，除WNSG-3益智果实Pn=0.72属于Ⅱ级；其余种植园区Pn均小于0.7，属于Ⅰ级；其中，质量最佳的是BTJT-4益智果实，Pn=0.11。由表中Pn值可知，18个种植园区益智果实品质优劣：BTJT-4>BTJT-3=QZXG-3>QZXG-1>QZXG-4=WZSM-6>WZSM-1>WZSM-3>TCWP-1>BTBC-4>BTBC-3=WNCX-2>QZCX-3>WZSM-5>WNSG-4>WNCX-1>QZCX-1>WNSG-3。

综合土壤及果实品质考虑，QZXG-4、QZXG-1及WZSM-3更适合益智种植。

3.5.3 相关性分析益智果实中Cu、Cd、Pb含量与土壤中Cu、Cd、Pb含量的相关性，见表11。

表11 益智果实与土壤相关性分析

注：**表示P值在0.01水平下有相关性(双尾测验)；Z-表示益智果实；T-表示土壤。

(1)土壤中各重金属间的相关性，土壤中Cu含量与Cd含量呈极显著正相关，r=0.629**，与Pb含量呈正相关，r=0.400；Cd含量与Pb含量也呈正相关，r=0.362。

(2)益智果实中各重金属间的相关性不显著，Cu含量与Cd含量呈负相关，与Pb含量呈正相关，r=-0.190、0.254；Cd含量与Pb含量呈正相关，r=0.163。

(3)果实中重金属含量与土壤中重金属含量相关性不显著。

4 讨论

益智为海南第一大林下经济作物，也是海南省重要的道地中药材之一，主要种植在橡胶林、槟榔林、次生林及其它经济林下，虽然益智生产过程中使用农药、化肥量较少，但对林地管理过程中需要使用较多的肥料及农药，甚至除草剂，可能影响造成土壤污染，重金属超标，从而影响益智品质。有研究表明[12]海南部分地区土壤中Pb、Cu、Cd等3种元素总量平均值均高于全国土壤总量平均值，其中Cd污染最为严重。重金属平均值含量是判断重金属污染情况的方法，但更为科学的方法为单因子污染指数法和综合评价法，后两者更为科学和准确，如丁艳萍[13]就是利用单因子污染指数法，综合一、二级评价标准，对土壤中Cd污染程度进行了研究。本研究也是采用这两种方法对3种元素污染程度进行分析，明确污染等级。

根据表3.3、表3.6可知，Pb超标的种植园有WNCX-1及WNCX-2、WZSM-6、WZSM-1及BTJT-3，超标率为27.78%，其中超标最严重的是WNCX-2，含量为111.74 mg·kg-1；Cd未超标的种植园有QZXG-4、QZXG-1及WZSM-3，超标率为83.33%，是土壤重金属的主要污染因子，超标最严重的是BTBC-4，含量为38.33 mg·kg-1；所有种植园Cu均未超标。无论土壤重金属是否超标，益智果实中Cu、Cd、Pb三种重金属及总量均在限量范围内，这表明益智果实对3种重金属富集能力较弱。因此，在选择种植地时，应首先考虑完全符合要求的土壤，其次考虑危害程度较小的土壤。

根据表3.6可知，各种植园区益智果实的重金属污染指数Pn均小于1.0，处于污染警戒线以下，除WNSG-3益智果实Pn=0.72>0.7，属于Ⅱ级；其余种植园区Pn均小于0.7，属于Ⅰ级；其中，质量最佳的是BTJT-4益智果实，Pn=0.11。土壤主要污染因子为Cd，污染指数Pn<0.7的种植园区有QZXG-4、QZXG-1及WZSM-3，其余种植园区Pn均大于3.0，属于重度污染。除次生林外，其他林地类型在种植过程中均进行施肥、喷药等处理，会造成一定污染。而次生林地为多年生次生林，其土壤重金属超标可能与土壤自身重金属含量有关，也可能与对益智施肥有关。

益智土壤中Cu、Pb、Cd 之间存在一定的相关性，其中Cu与Cd呈极显著正相关，这与张丹[14]的研究的部分结果一致；益智土壤中重金属与果实中重金属相关性不显著；益智果实中各重金属之间相关性不显著，这与前人的研究较为一致。陈瑶[15]研究表明，药材中各重金属含量之间的相关性不显著，只有Cd 与Cu之间，呈极显著正相关；不同种类药材与基地土壤中重金属 Pb、Cu、Cd含量之间也存在一定的相关性，但相关性不显著。

综合考虑土壤与果实受重金属污染的程度，琼中行干村槟榔林、琼中行干村次生林及五指山水满新村橡胶林是最佳的益智种植园区；其次为五指山水满新村胆木林、保亭八村橡胶林及万宁三更罗槟榔林种植园区。虽然土壤重金属有超标现象，但益智果实中重金属含量均符合WM/T2-2004标准，说明益智对重金属的富集能力较弱，因此海南适宜益智栽培。但中药材种植基地应确保土壤清洁度，各种植园区土壤质量有待提高，尤其Cd污染严重，应加大治理力度。

不同林地种植园区土壤重金属污染的因素包括肥料及农药等的使用，人类活动，不同林木对自然环境中重金属的富集沉积等。本研究仅对种植园区土壤重金属及益智果实重金属的含量进行了测定分析，对造成土壤重金属污染的原因还需进一步研究说明。

[1] 国家药典委员会.中华人民共和国药典：一部[S].北京：化学工业出版社，2005：215.

[2] 李榕涛，卢丽兰，甘炳春，等.海南主要益智生长区土壤养分调查与分析[J].中国农学通报，2011，27(13)：130-134.

[3] 周丹，付煜荣，赖伟勇，等.不同产地益智果实营养元素差异性研究[J].中国现代中药，2017，19(2)：217-220.

[4] 翟红莉，刘寿柏，蔡真金，等.海南4个不同产地益智果实挥发油成分的GC-MS分析[J].广东农业科学，2013，40(19)：83-86.

[5] Li Y H，Chen F，Wang J F，et al.Analysis of ninecompound from Alpinia oxyphylla fruit at different harvesttime using UFLC-MS/MS and an extraction methodoptimized by orthogonal design [J].Chemistry CentralJournal，2013(7)：134.

[6] 贾薇.中药材中重金属的分析方法及其吸收富集特征研究[D].广州：广州中医药大学，2009.

[7] 孙楠，薛健.中药中重金属测定的研究进展[J].中草药，2005(12)：1907-1909.

[8] Ernst，E.Toxic heavy metals and undec larded rugs in Asian herbal medicines[J].Trends Pharmacol Sci，2002，23(3)：136-139.

[9] 宗良纲.中药材中重金属污染及其研究综述[J].安徽农业科学，2006，34(3)：495-499.

[10] 吴志刚，陶正明，萧若人.山药药材重金属、SO2含量及安全性评价[J].浙江农业科学，2013(8)：958-960，963.

[11] 晏小霞，王建荣，王茂媛，等.益智规范化生产标准操作规程(SOP)[J].中国热带农业，2017(74)：74-77.

[12] 朱维晃，杨元根，毕华，等.海南土壤中Zn、Pb、Cu、Cd四种重金属含量及其生物有效性的研究[J].矿物学报，2004(3)：239-244.

[13] 丁艳萍.安徽省主要中药材及其产地土壤重金属调查与评价[D].合肥：安徽农业大学，2013.

[14] 张丹.贵州主要药材基地土壤及中药材重金属污染状况调查研究[D].贵阳：贵州师范大学，2006.

[15] 陈瑶.江西省新干GAP基地土壤及中药材重金属状况评价[D].南昌：南昌大学,2008.

[16] 陈少东，陈福北，刘红星，等.益智仁中Mg、Al、Fe、Zn、Cd、Pb含量及精油成分分析[J].现代科学仪器，2011(3)：74-77.

[17] 范春蕾，姜文超，张敬迎.益智及其种植区土壤中汞含量研究[J].广东微量元素科学，2009，16(2)：52-56.